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    開關模式電源電流檢測——第二部分:何處放置檢測電阻

    2021/2/25 13:29:06??????點擊:
    電流檢測電阻的位置連同開關穩壓器架構決定了要檢測的電流。檢測的電流包括峰值電感電流、谷值電感電流(連續導通模式下電感電流的最小值)和平均輸出電流。檢測電阻的位置會影響功率損耗、噪聲計算以及檢測電阻監控電路看到的共模電壓。

    放置在降壓調節器高端

     
    對于降壓調節器,電流檢測電阻有多個位置可以放置。當放置在頂部MOSFET的高端時(如圖1所示),它會在頂部MOSFET導通時檢測峰值電感電流,從而可用于峰值電流模式控制電源。但是,當頂部MOSFET關斷且底部MOSFET導通時,它不測量電感電流。
     
     
    圖1.帶高端RSENSE的降壓轉換器
     
    在這種配置中,電流檢測可能有很高的噪聲,原因是頂部MOSFET的導通邊沿具有很強的開關電壓振蕩。為使這種影響最小,需要一個較長的電流比較器消隱時間(比較器忽略輸入的時間)。這會限制最小開關導通時間,并且可能限制最小占空比(占空比 = VOUT/VIN)和最大轉換器降壓比。注意在高端配置中,電流信號可能位于非常大的共模電壓(VIN)之上。


    放置在降壓調節器低端

     
    圖2中,檢測電阻位于底部MOSFET下方。在這種配置中,它檢測谷值模式電流。為了進一步降低功率損耗并節省元件成本,底部FET RDS(ON)可用來檢測電流,而不必使用外部電流檢測電阻RSENSE。
     
     
    圖2.帶低端RSENSE的降壓轉換器
     
    這種配置通常用于谷值模式控制的電源。它對噪聲可能也很敏感,但在這種情況下,它在占空比較大時很敏感。谷值模式控制的降壓轉換器支持高降壓比,但由于其開關導通時間是固定/受控的,故最大占空比有限。
     

    降壓調節器與電感串聯

     
    圖3中,電流檢測電阻RSENSE與電感串聯,因此可以檢測連續電感電流,此電流可用于監測平均電流以及峰值或谷值電流。所以,此配置支持峰值、谷值或平均電流模式控制。
     
     
    圖3.RSENSE與電感串聯
     
    這種檢測方法可提供最佳的信噪比性能。外部RSENSE通常可提供非常準確的電流檢測信號,以實現精確的限流和均流。但是,RSENSE也會引起額外的功率損耗和元件成本。為了減少功率損耗和成本,可以利用電感線圈直流電阻(DCR)檢測電流,而不使用外部RSENSE。

    放置在升壓和反相調節器的高端

     
    對于升壓調節器,檢測電阻可以與電感串聯,以提供高端檢測(圖4)。
     
     
    圖4.帶高端RSENSE的升壓轉換器
     
    升壓轉換器具有連續輸入電流,因此會產生三角波形并持續監測電流。
     

    放置在升壓和反相調節器的低端

     
    檢測電阻也可以放在底部MOSFET的低端,如圖5所示。此處監測峰值開關電流(也是峰值電感電流),每半個周期產生一個電流波形。MOSFET開關切換導致電流信號具有很強的開關噪聲。
     
     
    圖5.帶低端RSENSE的升壓轉換器

    SENSE電阻放置在升降壓轉換器低端或與電感串聯

     
    圖6顯示了一個4開關升降壓轉換器,其檢測電阻位于低端。當輸入電壓遠高于輸出電壓時,轉換器工作在降壓模式;當輸入電壓遠低于輸出電壓時,轉換器工作在升壓模式。在此電路中,檢測電阻位于4開關H橋配置的底部。器件的模式(降壓模式或升壓模式)決定了監測的電流。
     
     
    圖6.RSENSE位于低端的升降壓轉換器
     
    在降壓模式下(開關D一直導通,開關C一直關斷),檢測電阻監測底部開關B電流,電源用作谷值電流模式降壓轉換器。

    在升壓模式下(開關A一直導通,開關B一直關斷),檢測電阻與底部MOSFET (C)串聯,并在電感電流上升時測量峰值電流。在這種模式下,由于不監測谷值電感電流,因此當電源處于輕負載狀態時,很難檢測負電感電流。負電感電流意味著電能從輸出端傳回輸入端,但由于這種傳輸會有損耗,故效率會受損。對于電池供電系統等應用,輕負載效率很重要,這種電流檢測方法不合需要。
    圖7電路解決了這個問題,其將檢測電阻與電感串聯,從而在降壓和升壓模式下均能連續測量電感電流信號。由于電流檢測RSENSE連接到具有高開關噪聲的SW1節點,因此需要精心設計控制器IC,使內部電流比較器有足夠長的消隱時間。
     
     
    圖7.LT8390升降壓轉換器,RSENSE與電感串聯

    輸入端也可以添加額外的檢測電阻,以實現輸入限流;或者添加在輸出端(如下圖所示),用于電池充電或驅動LED等恒定輸出電流應用。這種情況下需要平均輸入或輸出電流信號,因此可在電流檢測路徑中增加一個強RC濾波器,以減少電流檢測噪聲。
    上述大多數例子假定電流檢測元件為檢測電阻。但這不是強制要求,而且實際上往往并非如此。其他檢測技術包括使用MOSFET上的壓降或電感的直流電阻(DCR)。

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